JP2012052993A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】耐腐食性を備えた、測定精度の高い熱式流量計を提供する。
【解決手段】流体の流れにより生じる温度差を検出して、流路を流れる流体の流量を測定する熱式流量計であって、流路となる溝部が形成された第１ガラス基板と、溝部を覆う第２ガラス基板と、第２ガラス基板の溝部と反対側の面の流路に対応する位置に、ボロンドープのダイヤモンド薄膜により形成された温度検出素子とを備えたことを特徴とする。温度検出素子は、流路の上流側と下流側とに形成され、上流側に形成された温度検出素子と下流側に形成された温度検出素子との中間の位置に、ボロンドープのダイヤモンド薄膜により形成された伝熱素子をさらに備えてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、流路を流れる流体の温度を制御し、温度制御部分の上流側と下流側の流体の温度差に基づいて流量を測定する熱式流量計に係り、特に、耐腐食性を備えた、測定精度の高い熱式流量計に関する。

流路を流れる流体の温度を制御し、温度制御部分の上流側と下流側の流体の温度差に基づいて流体の流量を測定する熱式流量計が知られている。

図３は、このような熱式流量計の構成例を示すブロック図である。本図に示すように、熱式流量計は、測定部２００と演算制御部３００とを備えている。測定部２００は、流路２１１を有する基板２１０に、伝熱部２２０、上流側温度検出部２３０、下流側温度検出部２４０が形成されて構成され、演算制御部３００により、流路２１１を流れる被測定流体の流量が算出される。

伝熱部２２０は、ヒータ等によって構成され、流路２１１を矢印方向に流れる被測定流体を加熱する。上流側温度検出部２３０、下流側温度検出部２４０は、流路２１１に沿って伝熱部２２０から等距離に配置されており、上流側温度検出部２３０は上流側の流体温度を直接的あるいは間接的に検出し、下流側温度検出部２４０は、下流側の流体温度を直接的あるいは間接的に検出する。

演算制御部３００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置によって構成され、伝熱部２２０の加熱制御を行なうとともに、上流側温度検出部２３０、下流側温度検出部２４０の温度検出結果に基づいて流体の流量を算出する。

演算制御部３００による流量の算出法について図４を参照して説明する。図４は流路２１１内の被測定流体の温度分布の一例を示す特性曲線図である。本図において横軸は流路２１１の位置であり、ＨＴ１１は、伝熱部２２０の設置位置に対応し、ＴＳ１１は、上流側温度検出部２３０の設置位置に対応し、ＴＳ１２は、下流側温度検出部２４０の設置位置に対応している。

演算制御部３００は、あらかじめ測定された被測定流体の温度に対して、被測定流体が数度程度高い一定温度になるように伝熱部２２０を制御する。このような状態で、被測定流体の流量がゼロの場合には、図４における実線グラフＣＨ１１が示すように、伝熱部２２０の設置位置ＨＴ１１を中心にして対称な温度分布を示す。このため、上流側温度検出部２３０、下流側温度検出部２４０の検出温度は等しくなり、温度差はゼロになる。

一方、被測定流体が流路２１１を流れると、図４における破線グラフＣＨ１２が示すように、温度分布のピークが下流側にシフトする。このため、上流側温度検出部２３０、下流側温度検出部２４０の検出温度に差が生じることになる。

この温度差は被測定流体の流量に対応した値となるので、演算制御部３００は、上流側温度検出部２３０、下流側温度検出部２４０の検出結果から得られる温度差に基づいて流路２１１を流れる被測定流体の流量を算出することができる。

被測定流体が流れる流路２１１は、金属の細管等が用いられる場合もあるが、金属を腐食するような流体の測定を行なえないことから、耐腐食性に優れたガラス基板に流路２１１を形成することが提案されている。

図５は、ガラス基板を用いて構成した熱式流量計の測定部２００の構成を模式的に示した図であり、図５（ａ）は、上面方向から見た模式図であり、図５（ｂ）は正面方向から見た模式図である。

本図に示すように、ガラス基板２１０は、流路２１１となる溝が形成された第１ガラス基板２１０ａと、溝を覆う第２ガラス基板２１０ｂとが接合されて構成される。このため、被測定流体は、測定部２００において、耐腐食性に優れたガラスにのみ接して流れることになる。

第２ガラス基板２１０ｂの流路２１１と反対側の面には、伝熱部２２０、上流側温度検出部２３０、下流側温度検出部２４０が形成される。伝熱部２２０は、伝熱素子２２０ａと電極２２０ｂとを備え、上流側温度検出部２３０は、上流側温度検出素子２３０ａと電極２３０ｂとを備え、下流側温度検出部２４０は、下流側温度検出素子２４０ａと電極２４０ｂとを備えており、各電極が演算制御部３００と接続される。

伝熱素子２２０ａ、上流側温度検出素子２３０ａ、下流側温度検出素子２４０ａは、白金やニッケル等の抵抗温度係数の大きい金属から構成される。

特開２００６−１０３２２号公報

上述のように、ガラス基板に流路を形成して、伝熱素子と温度検出素子とを流路外に設置することで、耐腐食性に優れた熱式流量計を構成することができる。しかしながら、温度検出素子が、熱伝導率が比較的低いガラスを介して被測定流体の温度を検出することになるため、温度検出信号のＳ／Ｎ比が低くなってしまい、熱式流量計の精度が低下するという問題が生じる。

そこで、本発明は、耐腐食性を備えた、測定精度の高い熱式流量計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の熱式流量計は、流体の流れにより生じる温度差を検出して、流路を流れる流体の流量を測定する熱式流量計であって、流路となる溝部が形成された第１ガラス基板と、前記溝部を覆う第２ガラス基板と、前記第２ガラス基板の前記溝部と反対側の面の前記流路に対応する位置に、ボロンドープのダイヤモンド薄膜により形成された温度検出素子とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記温度検出素子は、前記流路の上流側と下流側とに形成することができる。このとき、前記上流側に形成された温度検出素子と下流側に形成された温度検出素子との中間の位置に、ボロンドープのダイヤモンド薄膜により形成された伝熱素子をさらに備えることができる。

本発明によれば、耐腐食性を備えた、測定精度の高い熱式流量計が提供される。

ガラス基板を用いて構成した本実施形態の熱式流量計の測定部の構成を模式的に示した図である。 ＴＯＦ式の流量計の測定部の構成を模式的に示した図である。 熱式流量計の構成を示すブロック図である。 流路の位置に対する流路内の被測定液体の温度分布の一例を示す特性曲線図である。 ガラス基板を用いて構成した従来の熱式流量計の測定部の構成を模式的に示した図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の熱式流量計の測定部１００の構成を模式的に示した図であり、図１（ａ）は、上面方向から見た模式図であり、図１（ｂ）は正面方向から見た模式図である。なお、本実施形態の測定部１００は、従来と同様に、図３に示すように演算制御部３００と接続され、熱式流量計として機能する。

本図に示すように、熱式流量計の測定部１００は、ガラス基板１１０を備えており、ガラス基板１１０は、流路１１１となる溝が形成された第１ガラス基板１１０ａと、溝を覆う第２ガラス基板１１０ｂとが接合されて構成される。このため、被測定流体は、測定部１００において、耐腐食性に優れたガラスにのみ接して流れることになる。

第１ガラス基板１１０ａは、例えば、流路１１１の深さに見合った厚さのホウケイ酸ガラス基板を用いることができ、ドライあるいはウェットエッチング、サンドブラスト、レーザ加工等の方法によって溝を刻むことで流路１１１を形成することができる。

第２ガラス基板１１０ｂもホウケイ酸ガラス基板を用いることができ、第１ガラス基板１１０ａに形成された溝を覆うように、熱圧着等により第１ガラス基板１１０ａと接合する。第２ガラス基板１１０ｂの厚さは、流体の圧力に耐える必要はあるが、被測定流体の温度検出のためには薄い方が望ましい。また、後述するように、流路２１１と反対側の面（表面）は、半導体プロセスにより成膜するために、光学研磨面とする。

第２ガラス基板１１０ｂの表面には、伝熱部１２０、上流側温度検出部１３０、下流側温度検出部１４０が形成される。伝熱部１２０は、伝熱素子１２０ａと電極１２０ｂとを備え、上流側温度検出部１３０は、上流側温度検出素子１３０ａと電極１３０ｂとを備え、下流側温度検出部１４０は、下流側温度検出素子１４０ａと電極１４０ｂとを備えており、各電極が演算制御部３００と接続される。

本実施形態では、上流側温度検出素子１３０ａ、下流側温度検出素子１４０ａを、金属測温抵抗体よりも温度に対する感度が高く、半導体プロセスとの親和性が高いボロンドープのダイヤモンド薄膜により形成する。

すなわち、第２ガラス基板１１０ｂの表面にボロンドープのダイヤモンド薄膜を成膜し、パターニングして、上流側温度検出素子１３０ａ、下流側温度検出素子１４０ａを形成する。パターニングは、通常ドライエッチングにより行なうことができる。

これにより、上流側温度検出素子１３０ａ、下流側温度検出素子１４０ａから出力される温度検出信号のＳ／Ｎ比を高め、熱式流量計の精度を向上させることができる。このとき、被測定流体は、ガラスにのみ接するため、耐腐食性も維持される。

なお、半導体プロセスを簡略化するために、電極を含めた上流側温度検出部１３０、下流側温度検出部１４０および伝熱部１２０の全体または一部をボロンドープのダイヤモンド薄膜により形成するようにしてもよい。また、必要に応じてダイシング等を行なうようにしてもよい。

また、上流側温度検出素子１３０ａ、下流側温度検出素子１４０ａの温度に対する感度が高まることにより、第２ガラス基板１１０ｂの厚さを従来より厚くしても精度を確保することができるため、測定部１００の強度を得たり、ガラス基板２１０の製造の簡易化を図るようにしてもよい。

なお、本発明は、熱式のみならず、Time of Flight（ＴＯＦ）式の微小流量計等に適用することもできる。図２はＴＯＦ式の微小流量計に適用した場合の測定部の構成を模式的に示した図である。本図の例では、測定部４００のガラス基板４１０の表面には、伝熱部４２０、上流側温度検出部４３０、第１下流側温度検出部４４０、第２下流側温度検出部４５０が形成される。

上流側温度検出部４３０、第１下流側温度検出部４４０は、熱式の測定に使用され、第１下流側温度検出部４４０、第２下流側温度検出部４５０は、ＴＯＦ式の測定に使用される。

また、伝熱部４２０は、伝熱素子４２０ａと電極４２０ｂとを備え、上流側温度検出部４３０は、上流側温度検出素子４３０ａと電極４３０ｂとを備え、第１下流側温度検出部４４０は、第１下流側温度検出素子４４０ａと電極４４０ｂとを備え、第２下流側温度検出部４５０は、第２下流側温度検出素子４５０ａと電極４５０ｂとを備えており、各電極が図示しない演算制御部と接続される。

１００…測定部、１１０…ガラス基板、１１０ａ…第１ガラス基板、１１０ｂ…第２ガラス基板、１１１…流路、１２０…伝熱部、１２０ａ…伝熱素子、１２０ｂ…電極、１３０…上流側温度検出部、１３０ａ…上流側温度検出素子、１３０ｂ…電極、１４０…下流側温度検出部、１４０ａ…下流側温度検出素子、１４０ｂ…電極、２００…測定部、２１０…ガラス基板、２１０ａ…第１ガラス基板、２１０ｂ…第２ガラス基板、２１１…流路、２２０…伝熱部、２２０ａ…伝熱素子、２２０ｂ…電極、２３０…上流側温度検出部、２３０ａ…上流側温度検出素子、２３０ｂ…電極、２４０…下流側温度検出部、２４０ａ…下流側温度検出素子、２４０ｂ…電極、３００…演算制御部、４００…測定部、４１０…ガラス基板、４２０…伝熱部、４２０ａ…伝熱素子、４２０ｂ…電極、４３０…上流側温度検出部、４３０ａ…上流側温度検出素子、４３０ｂ…電極、４４０…第１下流側温度検出部、４４０ａ…第１下流側温度検出素子、４４０ｂ…電極、４５０…第２下流側温度検出部、４５０ａ…第２下流側温度検出素子、４５０ｂ…電極

Claims (3)

1. 流体の流れにより生じる温度差を検出して、流路を流れる流体の流量を測定する熱式流量計であって、
   流路となる溝部が形成された第１ガラス基板と、
   前記溝部を覆う第２ガラス基板と、
   前記第２ガラス基板の前記溝部と反対側の面の前記流路に対応する位置に、ボロンドープのダイヤモンド薄膜により形成された温度検出素子と、
   を備えたことを特徴とする熱式流量計。
2. 前記温度検出素子は、前記流路の上流側と下流側とに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記上流側に形成された温度検出素子と下流側に形成された温度検出素子との中間の位置に、ボロンドープのダイヤモンド薄膜により形成された伝熱素子をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の熱式流量計。